4to Laboratorio de Analisis Quimico

TERCER GRUPO DE CATIONES

FIGMM

INTRODUCCION Este puede llamarse el grupo del acero. Todos los elementos excepto el Zn son importantes importantes en la fabricación del acero. acero. El vanadio que procede procede inmediatamente inmediatamente al cromo en el arreglo periódico de los elementos, es igualmente, es igualmente importante en la fabricación del acero. Cr, Mn, Co y Ni son los elementos de transición del cuarto período (K al Kr) en los grupos VI, VII y VIII. Estos elementos de transición son caracterizados por por sus cambios de valencias y por los colores intensos en muchos de sus iones. Todos los miembros de este tercer grupo analítico tienen sulfuros(o hidrosulfuros) demasiado solubles para poder ser precipitados por el H 2S en medio ácido, por lo cual ellos no precipitan en el II grupo.

OBJETIVOS Identificación de cationes del tercer grupo de una muestra conocida aplicando los diferentes tipos de equilibrio químico. Apreciar las diferentes características de estos cationes mediante sus precipitados correspondientes. Tener más familiarización con la base práctica del análisis quimico aplicado a la industria. Obtener la separación e identificar cada uno de los cationes del tercer grupo: Fe2+, Ni2+, Ca2+ , Al3+ , Cr3+ , Mn2+ y Zn2+.

FUNDAMENTO TEORICO Los cationes de este grupo no son precipitados por los reactivos de grupo correspondientes a los grupos I y II pero son precipitados, en solución alcalinizada con hidróxido de amonio, en presencia de cloruro de amonio por sulfuro de amonio. Estos cationes con excepción del aluminio y cromo que son precipitados como hidróxidos debido a la hidrólisis total de sus sulfuros en solución acuosa, precipitan como sulfuros. El hierro, aluminio y cromo son precipitados como hidróxidos por la solución de hidróxido de amonio en presencia de cloruro de amonio, mientras que los otros metales del grupo permanecen en solución y pueden ser precipitados después por el sulfuro de amonio. Por eso es común subdividir este grupo en el grupo del hierro (hierro, aluminio y cromo) o grupo IIIA y en el grupo de Zinc (níquel, cobalto, manganeso y zinc) o grupo IIIB GRUPO DEL HIERRO (grupo IIA) Hierro, Fe

El hierro puro es un metal blanco plateado, tenaz y dúctil. El metal comercial raramente es puro y contiene pequeñas cantidades de carburos, siliciuros, fosfuros y sulfuros de hierro y un poco de grafito. El hierro se disuelve en ácido clorhídrico concentrado o diluido y en ácido sulfúrico diluido con desprendimiento de hidrógeno y formación de sal ferrosa, con ácido sulfúrico concentrado y caliente se produce dióxido de azufre y sulfato férrico. Con ácido nítrico diluido en frio se obtienen los nitratos ferrosos y de amonio, mientras que con ácido UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA MINERA Y METALURGICA M ETALURGICA

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FIGMM

más concentrado se produce sal férrica y el óxido nitroso u óxido nítrico, según sean las condiciones experimentales. El ácido nítrico concentrado no reacciona con ácido nítrico diluido ni desplaza el cobre de una solución de sal de cobre. Fe + 2HCl FeCl 2 + H2 Fe H2SO4 (dil.) FeSO4 + H2 2Fe +6H2SO4 (conc.) Fe2 (SO4)3 + 6H2O + 3SO2 4Fe + 10HNO3 (frio,dil.) 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O fe + 4HNO3(conc.) Fe(NO3)3 + NO + 2H 2O 4Fe + 10HNO3 4Fe(NO3)2 + N2O + 5H2O el hierro forma dos series importantes de sales: las sales ferrosas que provienen del óxido ferroso, FeO, en las que el metal es divalente, y las sales férricas provienen del óxido férrico, Fe2O3, que contienen hierro trivalente. Aluminio, Al

El aluminio es un metal blanco, dúctil y maleable, su polvo es gris. El metal es poco atacado por el ácido sulfúrico diluido frío, pero se disuelve fácilmente en ácido concentrado caliente, con desprendimiento de azufre. El ácido nítrico hace pasivo al metal, lo que puede ser debido a la formación de una película protectora de óxido. Se disuelve fácilmente en ácido clorhídrico (diluido o concentrado) con desprendimiento de hidrógeno. Con hidróxidos alcalinos se forma una solución de aluminato. 2Al + 4H2SO4 Al2(SO4)3 +SO2 + 2H2O 2Al + 6HCl 2AlCl2 + 3H2 2Al + 2NaOH + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2 El aluminio forma solamente una serie de sales que provienen del óxido,Al2O3 Cromo, Cr

El cromo es un metal blanco, cristalino, es poco dúctil y maleable. El metal es soluble en ácido clorhídrico produciendo un cloruro cromoso, CrCl2, azul en ausencia de aire, pues si no se forma el cloruro crómico, CrCl3, se desprende hidrógeno. El ácido sulfúrico diluido reacciona en forma similar formando sulfato cromoso, CrSO4, en ausencia de aire y sulfato crómico, Cr2(SO4)3, en presencia del aire. El ácido sulfúrico concentrado y el nítrico concentrado o diluido motivan la pasividad del metal.

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GRUPO DEL ZINC (grupo IIIB) Cobalto, Co

El cobalto es un metal magnético de color gris acerado. Se disuelve lentamente en ácido sulfúrico o clorhídrico diluido en caliente, y más rápidamente en ácido nítrico, formando compuestos cobaltosos que provienen del óxido de cobaltoso, CoO. Existen otros dos óxidos: el óxido cobáltico, Co2O3, del que derivan los compuestos cobálticos, extremadamente inestables, y el óxido cobaltoso. Todos los óxidos de cobalto se disuelven en ácidos formando sales cobaltosas. Co2O3 + 6HCl 2CoCl2 + Cl2 + 3H2O Co3O4 + 8HCl 3CoCl2 + Cl2 + 4H2O Níquel, Ni

El níquel es un metal duro, blanco plateado, es dúctil, maleable y muy tenaz. Los ácidos clorhídrico o sulfúrico diluidos o concentrados lo atacan lentamente, el ácido nítrico diluido lo disuelve fácilmente, pero si es concentrado motiva su pasividad. Solamente se conoce una serie de sales estables, las niquelosas provenientes del óxido niqueloso o verde, NiO. Existe un óxido niquélico negro pardusco, Ni2O3, pero este se disuelve en ácidos formando compuestos niquelosos. Ni2O3 + 6HCl 2NiCl2 + 3H2O + Cl2 Manganeso, Mn

El manganeso es un metal grisáceo de apariencia similar al hierro fundido. Reacciona con el agua caliente dando hidróxido de manganoso e hidrógeno. Los ácidos minerales diluidos y también el ácido acético lo disuelven produciendo sales de manganeso e hidrógeno. Con ácido sulfúrico concentrado caliente se desprende dióxido de azufre. Se conocen 6 óxidos de manganeso: MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnO2, MnO3 y MnO7. Todos los óxidos se disuelven en ácido clorhídrico caliente y en ácido sulfúrico concentrado, en caliente formando sales manganosas, los óxidos superiores se reducen con desprendimiento de cloro y oxígeno, según el caso. Mn + 2HCl MnCl2 + Mn MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O Mn2O2 + 8HCl 3MnCl2 + Cl2 + 4H2O 2MnO3 + 4H2SO4 4MnSO4 + O2 + 4H2O 2Mn3O4 + 6H2SO4 6MnSO4 + O2 + 4H2O 2MnO2 + 2H2SO4 2MnSO4 + O2 + 2H2O UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA MINERA Y METALURGICA M ETALURGICA

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FIGMM

Zinc, Zn

El zinc es un metal azulado, es medianamente maleable y dúctil a 110°-150°. El puro se disuelve muy lentamente en ácidos, la reacción se acelera por la presencia de impurezas, o contacto con platino o cobre, producidos por el agregado de algunas gotas de soluciones de las sales de estos minerales. Esto explica por qué el zinc comercial, se disuelve fácilmente en ácidos clorhídricos y sulfúricos diluidos con desprendimiento de hidrógeno. Se disuelve en nítrico muy diluido, pero sin desprendimiento gaseoso, aumentando la concentración del ácido se desprende óxido nitroso u óxido nítrico, lo que depende de la concentración, el ácido nítrico concentrado tiene muy poca acción debido a la escasa solubilidad del nitrato de zinc. El zinc se disuelve también en soluciones de hidróxidos alcalinos con desprendimiento de hidrógeno y formación de zincatos. Zn + H2SO4 ZnSO4 +H2 4Zn + 10HNO3 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O 4Zn + 10HNO3 4Zn(NO3)2 + N2O + 5H2O 3Zn + 8HNO3 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O Zn + 2H2SO4 ZnSO4 + SO2 + 2H2O Zn + 2NaOH Na2ZnO2 + H2 Se conoce solamente una serie de sales que provienen del óxido ZnO.

MATERIALES

Tubos de ensayo


embudo

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Vaso precipitado

piceta

FIGMM

bagueta

papel filtro

Alambre de micrón micrón


bórax

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REACTIVOS           

NH4OH NH4Cl Na2S HCl Dimetilglioxima Na2O2 Na2CO3 K4Fe(CN)6 KClO3 (NH4)CH3COO BaCl2

PROCEDIMIENTO 1. La solución entregada contiene los cloruros de los metales del grupo III, añadimos gotas (3-4) de NH4Cl 5N, no hay cambio alguno. Luego alcalinizamos la solución con NH4OH (usamos papel tornasol como indicador, que se pondrá color azul). En este momento tendrá una sustancia gelatinosa pardo verdusca y cambiará a un color oscuro ante la adición de gotas de Na 2S completamos la precipitación.

2. El precipitado obtenido contiene: CoS, NiS, FeS, MnS, Al(OH)3, Cr(OH)3, ZnS será pasado a un vaso con ayuda de 10 ml de HCl 12N agitamos el contenido del vaso y filtramos. El precipitado obtenido en (2) está formado por: CoS, NiS, se divide en dos partes:


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3. Reconocimiento del Cobalto : con ayuda de un alambre de platino (o micrón) y bórax sólido se prepara una perla y se adhiere a la parte del precipitado, la cual adquiere un color azul tanto en llama reductora como en llama oxidante. Reconocimiento del Níquel : disuelva la parte restante de precipitado con unos 8 ml de

agua regia, alcalinice la solución con NH 4OH 15N, si observa formaciones de azufre filtre, en caso contrario agregue gotas de dimetil-glioxima hasta la formación de un precipitado rojo-cereza. 4. La solución filtrada de (2) es recibida en un vaso y contiene FeCl 2, AlCl3, CrCl3, ZnCl2, y alcalinícela con Na2Co3 (sólido) luego agregue una pequeña cantidad de Na 2O2 (sólido), agitamos suavemente el contenido del vaso, observe la formación de un precipitado. Caliente unos segundos, enfriamos y filtramos. Conserve la solución filtrada.


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FIGMM

5. El precipitado obtenido en (4) está formado por Fe(OH) 2, MnO2 (probablemente con algo de CoC(OH)3 Ni(OH)3 se divide en dos partes:

Reconocimiento del Fierro : disuelva el precipitado el vaso con gotas de HCl 12N

caliente unos segundos. Espere, enfriamos. Diluimos la solución y la pasamos a un tubo de ensayo y agregue gotas de K 4Fe(OH)6 observe el precipitado obtenido de color azul conocido como Azul de Prusia.


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FIGMM

Reconocimiento del Manganeso : preparamos una perla de NaCO 3 y algo de

precipitado, calentamos directamente en la llama oxidante luego retiramos la perla e incorporamos cristales de KClO3 y seguimos calentando unos segundos, una perla de color verde nos indicará la presencia del manganeso. 6. La solución filtrada de (4) contiene NaAlO2, Na 2CrO4, Na2ZnO2. Acidificamos la solución con HNO3 6N luego agregamos gotas de NH 4Cl 5N., finalmente alcalinizamos la solución con NH4OH 15N. Calentamos por unos segundos y observamos la formación de un precipitado blanco gelatinosa de Al(OH)3, filtramos.

7. La solución restante contiene (NH4)2CrO4, Zn(NH3)6(NO3)2. Pasamos la solución a un vaso, acidificamos con CH 3COOH 17N. Luego añadimos gotas (10-15) de NH4CH3COO. Calentamos hasta hervir la solución, en este momento le añadimos gota a gota de BaCl2 y observamos la formación de un precipitado. Filtramos. 8. La solución pasante contendrá Zn(CH3COO)2. Luego le añadimos gotas de Na 2S(ac) y observamos precipitado blanquecino que corresponde a ZnS.


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FIGMM

CUESTIONARIO 1. Indique con toda claridad ¿Cómo se logra la precipitación total o completa del 3er grupo de cationes?

El tercer grupo de cationes está integrado más que nada por los iones cobalto (Co 2+), níquel (Ni2+), hierro II y III (Fe2+y Fe3+), cromo (Cr3+), aluminio (Al3+) , zinc (Zn2+) y manganeso (Mn2+). En éste grupo los cationes precipitan principalmente al hacerlos reaccionar con sulfuro de amonio en medio neutro o amoniacal. 2.

A) Indique ¿Cómo se identifica al catión c atión níquel?

Primero reconocemos a los cationes del GRUPO III, se le agrega gotas de Na2S y se notara la precipitación. Los precipitados obtenidos son CoS, NiS, FeS, MnS, Al(OH)3, Cr(OH)3, ZnS luego a estos precipitados se le agrega HCl 1,2N se agita el contenido del vaso y se filtra y se obtiene un precipitado y una solución, al precipitado lo llamaremos A y a la solución B . Al precipitado A obtenido se disuelve la solución en agua regia, luego alcalinizamos la solución con NH4OH 15N, si es que se observa precipitación se filtra en caso contrario se agrega gotas de azufre de dimetilglioxima hasta formar un precipitado color rojo-cereza. B) Indique ¿Cómo se identifica al catión c atión ferroso?

La solución de B es recibida en un vaso que contiene FeCl2, MnCl2, CrCl3, ZnCl2 alcalinizarla con Na2CO3 luego agregue una pequeñacantidad de Na2O2, agitar agitar suavemente el contenido contenido del vaso, observe la formación de un precipitado se enfria y filtre. El precipitado obtenido tiene Fe(OH)2 se le agrega unas gotas de HCl 12N. Se diluye la solución y se pasa a un tubo de ensayo y agregue gotas de K4Fe(CN)6 observandose un precipitado de color azul conocido como “AZUL PRUSIA”.

3.

¿Qué cationes se identificaron con sus respectivas perlas?¿Que compuestos se obtuvieron? Y ¿Qué colores presentaron.

Los cationes que se identificaron con sus respectivas perlas fue en el reconomiento del Niquel, donde con ayuda del bórax solido se prepara una perla y se adhiere parte del precipitado a la perla la cual se observó que adquirió un color azul tanto en la llama reductora y la llama oxidante.


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TERCER GRUPO DE CATIONES 4.

FIGMM

Haga un diagrama esquemático, indicando la separación o identificación de cada

catión SOLUCION QUE CONTIENEN LOS CLORUROS

-

-

+NH4Cl+NH4OH+Na2S Filtramos, lavamos.

CoS,NiS,FeS,MnS,Al(OH)3,Cr(OH), Desechamos.

-Lavamos con HCl

FeCl2,MnCl2,AlCl3,C

CoS, NiS

- Alcalinizamos con Na2CO3. - +Na O calent calentamo amos s

filtra filtramo mos. s.

NaAlO2, Na2CrO4 Fe(OH), MnO2

-Diluimos.

Reconocimiento de Cobalto.

-Alcalinizamos.

Azul

Reconocimiento de Níquel.

-+Acid.Acet.(acid.) - Disolv.con HCl.

-+NH4Cl

- Calentamos.

- Alcalinizamos Alcalinizamos

Rojo

Reconocimiento de Manganeso.

Reconocimiento Verde Azul de Prusia

(NH4)2CrO4, Zn(NH3)6(NO3)2 -

-

Zn(NO3)

Presencia de Al como hidróxido. Acidificamos con Ac.Acet. + BaCl Filtramos.

Presencia de cromo en cromato de bario.

-+Na2S Presencia de Zn. Precipitado blanquecino


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TERCER GRUPO DE CATIONES 5.

FIGMM

Escriba las formulas balanceadas delas reacciones efectuadas.

Las respectivas ecuaciones químicas efectuadas son: Aluminio:

2AlCl3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2 AlCl3 + 3NH4OH → Al(OH)3 + 3H2O 2AlCl3 + 3NaS + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2S + 6NaCl Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O AlCl3 + Na2CO3 → 2NaAlO2 + CO2 + 3H2O Cromo:

CrCl3 + 3NH4OH → Cr(OH)3 + 3H2O + Cl2 2CrCl3 + 3Na2S + 6H2O → 2Cr(OH)3 + 3H2O + 6NaCl 2CrCl3 + 3Na2O2 + 4NH4OH → 2Na2Cr+6NH4Cl+ 2H2O Níquel:

Ni2O3 + 6HCl → 2NiCl2 + 3H2O + Cl2 NiCl2 + NH4OH → Ni(OH)Cl + NH4Cl Ni(OH)Cl + 7NH4OH → (Ni(NH3)6)(OH) + 6H2O + NH4Cl NiCl2 + NaS → NiS + 2NaCl Cobalto:

Co2O3 + 6HCl → 2CoCl2 + Cl2 + 3H2O Co3O4 + 8HCl → 3CoCl2 + Cl2 + 4H2O CoCl2 + NH4OH → Co(OH)Cl + NH4Cl CoCl2 + Na2S → CoS + 2NaCl Manganeso:

Mn + 2HCl → MnCl2 + H2 MnCl2 + 2NH4OH → Mn(OH)2 + 2NH4Cl UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA MINERA Y METALURGICA M ETALURGICA

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FIGMM

MnCl2 + Na2S + xH2O → MnS.xH2O + 2NaCl Zinc:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 ZnCl2 + 2NH4OH → Zn(OH)2 + 2NH4Cl Zn(OH)2 + 6NH4OH → (Zn(NH3)6)(OH)2 + 6H2O ZnCl2 + NaS → ZnS + 2NaCl 2C4H8O2N2 + NiSO4 + 2NH4OH → C8H4O4N4Ni + (NH4)2SO4 + 2H2O Hierro:

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 FeCl3 + 3NH4OH → Fe(OH)3 + 3NH4Cl 2FeCl3 + 3Na2S → Fe2S3 + 6NaCl 4FeCl3 + 3K4(Fe(CN)6) → Fe4(Fe(CN)6)3 + 12KCl

6.

Se mezclan 10 ml de K2CrO4(ac) cromato de potasio 0.1N con 5 ml de CaCl2(ac) , cloruro de calcio 0.02N ¿Se formara precipitado de CaCrO 4 cromato de calcio? Kps CaCrO4= -2

2.3x10 (es su cte del producto de solubilidad)

Se sabe: Kps CaCrO4=[Ca2+][CrO42-] Datos: para el K2CrO4(ac) Volumen Normalidad Molaridad

para el CaCl2(ac) Volumen Normalidad Molaridad

= 10ml = 0.1 N =0.05M

= 5ml = 0.02N = 0.01M

Por lo tanto el número de moles es n= M.V n = (0.05)(10ml) n = 5x10-4 Luego :

n=(0.01)(5ml) n= 5x10-5 [Ca2+] = n/Vt = 0.333x10-1 [CrO42-] = n/Vt = 0.333x10-2 Kps1 = [Ca2+][CrO42-] = 1.1x10-3


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FIGMM

Como la constante de solubilidad obtenida es menor al Kps = 2.3x10 -2 por lo tanto es soluble y no forma precipitado. 7.

Para la precipitación de cationes divalentes Ml2+ de manera general con el H2S(g) sulfuro de hidrogeno, en la saturación de la solución, a una determinada concentración de H+, [H+], ion-gr/lt se tiene la s iguiente relación:

  



 



    

K1 y K2 son las constantes de disociación del H2SO4 y KpsMlS la constante del producto de solubilidad del sulfuro del catión divalente. ¿Cuántos gramos de Cu2+ contienen 25 ml de una solución después de efectuar la precipitación con H 2S(g) en forma de CuS, Sulfuro cúprico, si la [H+] es de 0.5 in-gr/lt. KpsCuS = 3.1x10

-38

Solución: Se sabe   



   

Reemplazando de los datos:    



  

            

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FIGMM

OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES Es recomendable colocar el papel filtro de forma de un cono, ya que así previo mojado de las paredes del embudo este se acople a la forma deseada lo cual generaría un buen filtrado. Debemos de tener cuidado al momento de neutralizar las soluciones, ya que esta debe ser de la manera más exacta. ex acta. Cubrirnos las zonas respiratorias de nuestro cuerpo, ya que podríamos inhalar los gases que se desprenden, los cuales pueden llegar a ser dañinos para nosotros. El calentamiento se debe de hacer en una plancha y no en un mechero debido a que el calentamiento debe ser lento para evitar que altere las reacciones. Se recomienda utilizar el alambre de micrón para poder reconocer tanto el Manganeso como en Cobalto. En el paso número 4 se recomienda que el precipitado se separe en partes iguales, con la finalidad de obtener suficiente precipitado para el reconocimiento del Cobalto y del Manganeso.

CONCLUSIONES El Bórax es un agente importante al momento del reconocimiento del Cobalto, ya que con el Bórax preparamos la perla y con la cual pudimos observar la coloración azul característica del Cobalto al momento de acercar a la llama. El Agua Regia nos sirvió para la identificación del Níquel y con la ayuda de unas cuantas gotas de dimetil-glioxima pudimos observar el color rojizo característico del Níquel. Para el reconocimiento del Fierro utilizamos el K 4Fe(CN)6 con lo cual observamos la presencia del precipitado “Azul Prusia”, lo cual nos garantizó la presencia del Fierro en

la solución. Comparando el reconocimiento de este grupo de cationes con los del primer grupo de cationes, este requiere de una precipitación más selectiva para su particular reconocimiento. El calor suministrado en las diferentes operaciones no depende del tiempo aplicado en estos, sino debemos de esperar que ocurra una formación o una variante en la sustancia.

BIBLIOGRAFIA QUÏMICA ANALÍTICA-CUALITATIVA, Vogel, Arthur SEMICROANÁLISIS QUÍMICO CUALITATIVO V. N. Alexeiev QUÍMICA ANALÍTICA CUALITATIVA, Burriel – Lucena EL ANALISIS QUIMICO EN EL LABORATORIO,MUELLERHARVEY EDITORIAL: ACRIBIA ,2005


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4to Laboratorio de Analisis Quimico

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